化工設(shè)備2011第十章?lián)Q熱器.ppt

1,第三篇 典型化工設(shè)備,換熱器,反應(yīng)釜,塔設(shè)備,2,教學(xué)重點(diǎn) （1）典型管殼式換熱器的選型 （2）固定管板式換熱器的基本結(jié)構(gòu) （3）管子的選用及管板的連接 （4）溫差應(yīng)力產(chǎn)生的原因及補(bǔ)償措施 教學(xué)難點(diǎn)： 管、殼程的分程及隔板,第十章 管殼式換熱器,3,第一節(jié) 換熱器概述,一、定義,換熱器是用來(lái)完成各種不同傳熱過(guò)程的設(shè)備。,1、如：開(kāi)水鍋爐、水杯、冰箱、空調(diào)等。,2、是許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的通用工藝設(shè)備。通常，在化工廠的建設(shè)中，換熱器約占總投資的11 40 。,那么衡量一臺(tái)換熱器好壞的標(biāo)準(zhǔn)是什么呢？,4,3.可靠性,滿足操作條件 ,強(qiáng)度足夠,保證使用壽命,二、衡量標(biāo)準(zhǔn),2.合理性,1.先進(jìn)性,可制造加工，成本可接受,傳熱效率高，流體阻力小，材料省,5,三、不同目的的換熱器,冷卻器（cooler）,冷凝器（condenser）,蒸發(fā)器（發(fā)生相變）（evaporator）,加熱器（一般不發(fā)生相變）（heater）,再沸器（reboiler）,廢熱鍋爐（waste heat boiler）,6,四、換熱器的基本類型,按傳熱方式或工作原理分類,1、直接接觸式,傳熱效果好，但不能用于發(fā)生反應(yīng)或有影響的流體之間,圖10-1 直接接觸式換熱器,7,2、蓄熱式,溫度較高的場(chǎng)合，但有交叉污染，溫度波動(dòng)大,圖10-2蓄熱式換熱器,8,又稱表面式換熱器 利用間壁（固體壁面）進(jìn)行熱交換。 冷熱兩種流體隔開(kāi)，互不接觸，熱量 由熱流體通過(guò)間壁傳遞給冷流體。,應(yīng)用最為廣泛，形式多種多樣， 如管殼式換熱器、板式換熱器等,9,對(duì)于間壁式換熱器，按間壁形狀進(jìn)一步分為,(3)管殼式,(1)管式,(2)緊湊式,螺旋板式、板式、板翅、傘板等,排管、蛇管、套管,重點(diǎn),下面我們來(lái)看一看管殼式換熱器的基本結(jié)構(gòu),10,管殼式換熱器,11,圖10-3 換熱器構(gòu)件名稱,1-管箱(A,B,C,D型);2-接管法蘭;3-設(shè)備法蘭;4-管板;5-殼程接管;6-拉桿;7-膨脹節(jié);8-殼體;9-換熱管;10-排氣管;11-吊耳;12-封頭;13-頂絲;14-雙頭螺柱;15-螺母;16-墊片;17-防沖板;18-折流板或支承板;19-定距管;20-拉桿螺母;21-支座;22-排液管;23-管箱殼體;24-管程接管;25-分程隔板;26-管箱蓋,12,固定管板式換熱器,浮頭式換熱器,U形管式換熱器,填料函式換熱器,五、管殼式換熱器的分類,基本類型,13,（一）固定管板式換熱器,優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、能承受較高的壓力，造價(jià)低，管程清洗方便，管子損壞時(shí)易于堵管或更換。,缺點(diǎn)：不易清洗殼程，殼體和管束中可能產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。,圖10-4 固定管板式換熱器,14,為減少熱應(yīng)力，通常在固定管板式換熱器中設(shè)置柔性元件（如膨脹節(jié)、撓性管板等），來(lái)吸收熱膨脹差。,圖10-5 帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器,適用場(chǎng)合：適用于殼程介質(zhì)清潔，不易結(jié)垢，管程需清洗以及溫差不大或溫差雖大但是殼程壓力不大的場(chǎng)合。,15,（二）浮頭式換熱器,優(yōu)點(diǎn)： 管內(nèi)和管間清洗方便，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。,缺點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備笨重，造價(jià)高，浮頭端小蓋在 操作中無(wú)法檢查。,適用場(chǎng)合：殼體和管束之間壁溫相差較大，或介質(zhì)易 結(jié)垢的場(chǎng)合。,圖10-6 浮頭式換熱器,16,（三）U形管式換熱器,圖10-8 U型管式換熱器,優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，承受能力強(qiáng)，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。,缺點(diǎn)：布板少，管板利用率低，管子壞時(shí)不易更換。,適用場(chǎng)合：特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕 性大的物料。,17,（四）填料函式換熱器,優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制造方便，造價(jià)低，管內(nèi)和管間清洗方便。,缺點(diǎn)：填料處易泄漏。,適用場(chǎng)合： 4MPa 以下，且不適用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒及 貴重介質(zhì)，使用溫度受填料的物性限制。,填料函式密封,圖10-9 填料函式換熱器,18,（一）工藝計(jì)算,六、管殼式換熱器設(shè)計(jì)內(nèi)容,選型；確定管、殼程；通過(guò)化工工藝計(jì)算，確定換熱器的傳熱面積，同時(shí)選擇管徑、管長(zhǎng)，決定管數(shù)、管程數(shù)和殼程數(shù) 。,（二）機(jī)械設(shè)計(jì),1）殼體直徑的決定和殼體厚度的計(jì)算； 2）換熱器封頭選擇，壓力容器法蘭選擇； 3）管板尺寸確定； 4）折流板的選擇與計(jì)算； 5）管子拉脫力的計(jì)算； 6）溫差應(yīng)力計(jì)算。,19,第二節(jié) 管子的選用及其與管板的連接,一、管子的選用,（一）直徑,粘性大或污濁的流體,大管徑,小管徑,20,（二）規(guī)格,（外徑壁厚），長(zhǎng)度按規(guī)定決定,換熱管尺寸,192、252.5和382.5mm無(wú)縫鋼管252和382.5mm不銹鋼管,標(biāo)準(zhǔn)管長(zhǎng)1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等,換熱器的換熱管長(zhǎng)度與公稱直徑之比，一般在425之間，常用的為610。立式換熱器，其比值多為46。,21,（三）結(jié)構(gòu)型式,多用光管，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易， 為強(qiáng)化傳熱，也采用強(qiáng)化傳熱管。,22,（四）材料,由壓力、溫度、介質(zhì)的腐蝕性能決定。主要有碳素鋼、合金鋼、銅、鈦、塑料、石墨等。,金屬材料,碳素鋼,低合金鋼,不銹鋼,銅,銅鎳合金,鋁合金,鈦等,非金屬材料,石墨,陶瓷,聚四氟乙烯等,23,二、管子與管板的連接,（一）脹接,利用脹管器擠壓伸入管板孔中的管子端部，使管端發(fā)生塑性變形，管板孔同時(shí)產(chǎn)生彈性變形，取去脹管器后，管板與管子產(chǎn)生一定的擠壓力，貼在一起達(dá)到密封緊固連接的目的。,圖10-10 脹管前后示意圖,（a）脹管前,（b）脹管后,24,適用范圍：換熱管為碳素鋼，管板為碳素鋼或低合金鋼，設(shè)計(jì)壓力4MPa，設(shè)計(jì)溫度300，且無(wú)特殊要求的場(chǎng)合。,原因：溫度升高，殘余應(yīng)力減小，使管子與管板間的脹接密封性能、緊固性能都下降，故設(shè)計(jì)溫度300 。,要求管板硬度大于管子硬度，否則將管端退火后再脹接。,脹接時(shí)管板上的孔可以是光孔，也可開(kāi)槽(開(kāi)槽可以增加連接強(qiáng)度和緊密性)。,25,（二）焊接,優(yōu)點(diǎn)：在高溫高壓條件下，焊接連接能保持連接的緊密性，管板加工要求可降低，節(jié)省孔的加工工時(shí)，工藝較脹接簡(jiǎn)單，壓力較低時(shí)可使用較薄的管板。 缺點(diǎn)：在焊接接頭處產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能造成應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和疲勞破裂，同時(shí)管子、管板間存在間隙，易出現(xiàn)間隙腐蝕。,圖10-11 焊接間隙示意圖,管板,間隙,換熱管,26,（三）脹焊并用,脹焊并用連接主要有： 強(qiáng)度焊貼脹先焊后脹 強(qiáng)度脹密封焊先脹后焊 概念解釋：密封焊不保證強(qiáng)度，只防漏； 強(qiáng)度焊既防漏，又保證抗拉脫強(qiáng)度； 貼脹只消除間隙，不承擔(dān)拉脫力； 強(qiáng)度脹既消除間隙，又滿足脹接強(qiáng)度。 目前，先焊后脹與先脹后焊兩派學(xué)說(shuō)仍處于爭(zhēng)議之中。,27,第三節(jié) 管板結(jié)構(gòu),一、換熱管排列方式,三角形排列緊湊，傳熱效果好，同一板上管子比正方形多排10%左右，同一體積傳熱面積更大。適用于殼程介質(zhì)污垢少，且不需要進(jìn)行機(jī)械清洗的場(chǎng)合。,（一）正三角形和轉(zhuǎn)角正三角形排列,圖10-12 正三角形排列的管子,流體流動(dòng)方向,流體流動(dòng)方向,正三角形排列,轉(zhuǎn)角正三角形排列,28,29,（二）正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列,管間小橋形成一條直線通道，便于機(jī)械清洗。要經(jīng)常清洗管子外表面上的污垢時(shí)，多用正方形排列。,圖10-13 正方形排列的管子,流體流動(dòng)方向,流體流動(dòng)方向,轉(zhuǎn)角正方形排列,正方形排列,30,（三）組合排列法,在多程換熱器中多采用組合排列方法。即每一程中都采用三角形排列法，而在各程之間，為了便于安裝隔板，則采用正方形排列法，如圖1014。,圖10-14 組合排列法,31,二、管間距,（一）定義,（二）要求,管間距指兩相鄰換熱管中心的距離。,管間距1.25d0，符合表1規(guī)定，便于管子與管板間的連接，因?yàn)閷?duì)于脹接或焊接來(lái)講，管子間距離太近，那么都會(huì)影響連接質(zhì)量。最外層管壁與殼壁之間的距離為10mm，主要是為折流板易于加工，不易損壞。,32,表1 常用換熱管中心距/mm,最外層換熱管中心至殼體內(nèi)表面的距離不應(yīng)小于(換熱管外徑的一半)10mm。,33,三、管程的分程及管板與隔板的連接,當(dāng)換熱器所需的換熱面積較大，而管子做得太長(zhǎng)時(shí)，就得增大殼體直徑，排列較多的管子。此時(shí)，為了增加管程流速，提高傳熱效果，須將管束分程，使流體依次流過(guò)各程管子。,（一）分程原因,34,（二）分程原則,（三）分程隔板,圖10-15 雙層隔板與管板的密封,各程換熱管數(shù)應(yīng)大致相等； 相鄰程間平均壁溫差一般不應(yīng)超過(guò)28；